Синхронизация сейсмостанций

согласно стандарту IEEE 1588

Синхронизации узлов распределенной измерительной системы с использованием протокола PTP (стандарт IEEE1588)

Для многих распределенных систем промышленной автоматизации все более важным становится вопрос синхронизации времени. Выполнение синхронизации внутренних часов сейсмостанций ZET048, объединенных по сети Ethernet, при использовании протокола Precision Time Protocol (PTP), описанного стандартом IEEE 1588, обеспечивает погрешности не более 1 микросекунды. При этом к пропускной способности сети предъявляются относительно низкие требования.

от 64 369 руб.

Принцип функционирования систем

на основе протокола PTP

Согласно протоколу PTP синхронизация узлов системы по времени осуществляется на основе схемы «ведущий – ведомый». Внутренние часы ведущего устройства могут синхронизироваться ГЛОНАСС/GPS приемниками или любым другим источником времени (зависит от требований и возможностей системы). Внутренние часы ведомых устройств синхронизируются ведущим устройством.

Процедура синхронизации согласно протоколу PTP осуществляется двумя параллельными процессами:

  1. Коррекция разницы в показаниях времени между ведомыми и ведущими часами
  2. Определение задержки передачи сообщений по сети между ними для вычисления разницы в показаниях часов

Реализация поддержки протокола РТР

на примере сейсмостанции ZET048

Поддержка протокола PTP (Precision Time Protocol) в сейсмостанции реализована следующим образом:

При передаче пакетов модуль MAC генерирует прерывание, по которому запоминается время получения или отправки пакетов. Далее пакеты вместе с временными отметками передаются в модуль РТР, который анализирует пришедшие данные и вычисляет величину временного смещения локальных часов относительно ведущих часов. Это значение используется регулятором для корректировки локальных часов. Таким образом, приложения получают время, синхронизированное со временем ведущих часов.

Реализация поддержки протокола РТР в сейсмостанции ZET048
Реализация поддержки протокола РТР в сейсмостанции ZET048

Преимущества синхронизации по протоколу PTP

Наиболее оптимальным способом синхронизации является использование протокола PTP (стандарт IEEE1588):

  • он обеспечивает большую точность, чем протоколы NTP и SNTP;
  • является менее материально и трудозатратным, чем синхронизация высокоточным испульсом по выделенной линии или синхронизация каждого анализатора спектра, сейсмостанции по спутникам GPS/ГЛОНАСС;
  • кроме того, в некоторых случаях использование протокола PTP является единственно возможным способом синхронизации измерительных устройств. Например, синхронизация подводных анализаторов при проведении гидроакустических измерений, или синхронизация сейсмостанций при проведении сейсмических измерений под землёй — в обоих случаях синхронизировать устройства с использованием радиосигналов с GPS-спутников невозможно — GPS антенны и приёмники «не ловят» сигналы под землёй и под водой.

Факторы, влияющие на точность синхронизации

Точность определения локального времени

Поддержка протокола PTP реализована в сейсмостанции ZET 048 и анализаторе спектра ZET 017 на аппаратном уровне, таким образом точность определения локального времени определяется частотой тактирования системных часов (76,8 МГц) и составляет порядка 14 нс.

Точность установки времени

Первоначальная установка времени сейсмостанцией занимает до 3-х секунд — при этом выравниваются показания внутренних часов сейсмостанций относительно ведущих часов. Дальнейшая синхронизация компенсирует неодинаковость скорости отсчета времени сейсмостанциями. Поскольку первоначальная подстройка осуществляется один раз, данный параметр не является критичным.

Точность снятия временных отметок при получении/приёме пакетов Ethernet

Между моментом фактического получения пакета и моментом снятия временной отметки проходит некоторое время. Точность синхронизации обеспечивается только в том случае, когда это время является постоянным, что реализовано в сейсмостанции, поскольку поддержка протокола PTP осуществляется на аппаратном уровне.

Разброс времени пересылки пакета

Физический канал имеет постоянную скорость, но между синхронизирующим модулем и сейсмостанцией обычно находится коммутатор (маршрутизатор, повторитель), который может «затормозить» пакет. Время задержки существенно влияет на точность синхронизации.

Обычные коммутаторы могут добавлять случайные задержки во времени передачи пакетов, что отрицательно сказывается на точности синхронизации.

Обычные коммутаторы

Коммутаторы в режиме «граничных часов» синхронизируются с модулем синхронизации, после чего выполняют роль ведущих часов для сейсмостанций. Таким образом синхронизация осуществляется по схеме «точка – точка», за счет чего минимизируется разброс погрешности.

Коммутатор с поддержкой PTP в режиме граничных часов

При каскадном подключении коммутаторов в режиме «граничных часов» происходит накопление погрешности. Поэтому в версии 2 протокола PTP был предложен механизм так называемых «прозрачных часов». Коммутаторы в режиме «прозрачных часов» работают также, как обычные коммутаторы, передавая пакеты от ведущего устройства к ведомому, но при этом в пакете фиксируется длительность задержки передачи данного пакета.

Коммутатор с поддержкой PTP в режиме прозрачных часов

Наибольшая точность синхронизации обеспечивается при использовании коммутаторов в режиме «прозрачных часов».